高速电弧喷涂技术在汽车发动机再制造中的应用研究

高速电弧喷涂技术在汽车发动机再制造中的应用研究 高速电弧喷涂技术在汽车发动机再制造中 的应用研究 要,耄第埋江苏技术师范学院学忸垒!星 一 JOURNALOFj矗s五.CHERSUNIVERSIT'Y071KFTEcHN0L0GYVo1.16,No.9S 印.,2010 高速电弧喷涂技术在汽车发动机再制造中的 应用研究 李国庆,张兰春,黄学勤 (江苏技术师范学院机械与汽车工程学院,江苏常州213001) 摘要:在介绍高速电弧喷涂技术的基本原理,特点及喷涂基础上,以汽车发动机为研究对象,详细阐述了 高速电弧喷涂技术在汽车发动机零部件再制造中的应用.研究结果表明,高速电弧喷涂技术在汽车发动机再制 造中具有明显的优势. 关键词:高速电弧喷涂;发动机;再制造 中图分类号:U464.13文献标识码:A文章编号:1674—8522(2010)09—0008—05 O引言 高速电弧喷涂(HighVelocityArcSpraying)技术是在传统电弧喷涂(TraditionalVelocityArcSpraying) 技术基础上发展起来的一种新型电弧喷涂技术.传统的电弧喷涂技术是以电弧为热源,将熔化了的金属 丝用高速气流雾化,并以高速喷射到工件表面形成涂层的一种工艺.喷涂时,两根丝状金属喷涂材料分别 接电源的正,负极,金属丝材用送丝装置通过送丝轮均匀,连续地向前送进,并保证两根丝材在未接触之 前绝缘.当两根金属丝材由于送进而互相接触时,在端部之间短路并产生电弧,使 丝材端部瞬间熔化,然 后用压缩空气把熔化金属雾化成微熔滴,并以很高的速度喷射到工件表面,形成电弧喷涂层.高速电弧喷 涂技术则根据气体动力学原理,在传统电弧喷涂的基础上,对传统电弧喷涂枪的流场进行优化,将高 压空气或高温燃气通过特殊设计的喷嘴加速后,作为电弧喷涂高速雾化和加速熔融金属的动力来源,将 雾化粒子高速喷射到工件表面形成致密涂层【1】,其原理示意图如图1所示. 如图2所示为高速电弧喷涂与普通电弧喷涂焰流形貌,不同于一般的普通电弧喷涂,高速电弧喷涂 改善了金属液滴的雾化效果,粒子平均直径比传统喷涂枪雾化粒子更小,离子束更加集中121. 基 体 (高速喷涂焰流) (传统喷涂焰流) 图1高速电弧喷涂技术原理示意图图2高速电弧喷涂与普通电弧喷涂焰流形貌 收稿日期:2010—08—23;修回日期:2010—08—30 作者简介:李国庆(1964一),男,江苏常州人,副教授,高级工程师,主要研究方向为汽车服务工程,报废汽车回收再生技 术应用. 第9期李国庆张兰春黄学勤:高速电弧喷涂技术在汽车发动机再制造中的应用研究9 1高速电弧喷涂技术的特点 高速电弧喷涂技术与传统的电弧喷涂技术相比有如下特点. (1)高速电弧喷涂熔滴飞行速度高,雾化效果好,在距喷涂枪喷嘴轴向80mm范围内的气流速度达 600m/s以上,而普通电弧喷涂枪气流速度仅为200375m/s;最高熔滴速度达到350m/s,且熔滴平均直 径是普通喷涂枪雾化粒子的1/3—1/8.因此,高速电弧喷涂可应用于某些等离子喷涂或超音速火焰喷涂应 用的领域. (2)高速电弧喷涂层的组织结构致密,孔隙率低,结合强度高,涂层耐磨性能比传统电弧喷涂层有较 大的提高.高速电弧喷涂防腐用Al涂层和耐磨用3Cr13涂层与基体的结合强度分别达到35MPa和43 MPa,是普通电弧喷涂层的2.2倍和1.5倍I3】.高速电弧喷涂3Cr13涂层孔隙率小于2%,而相应的普通电 弧喷涂层孔隙率大于5%. (3)高速电弧喷涂技术焰流集中,喷涂层的表面粗糙度和氧化程度比传统电弧喷涂层小.传统电弧喷 涂层中形变颗粒周围存在较大的破碎氧化物颗粒和连续的氧化物膜,这与喷涂过程中雾化颗粒较大,气 流速度的加速能力小以及颗粒飞行速度较低有关.由此可知,高速电弧喷涂层能够更有效地提高材料的 耐磨,耐蚀和抗疲劳性能. (4)高速电弧喷涂技术具有效率高,成本低,操作灵活等特点,高速电弧喷涂技术可用于大面积的现 场施工,其喷涂速度快,与普通电弧喷涂技术具有兼容性.利用普通电弧喷涂电源设备及送丝机构,更换 高速电弧喷涂枪就可以进行高速电弧喷涂,并且喷涂质量已取得了明显的进步. 2喷涂工艺 2.1工艺过程 高速电弧喷涂工艺过程如图3所示.工艺过程与普通电弧喷涂相似,也由工件表面预处理(包括除 油,除锈和表面粗糙化),进行高速电弧喷涂,喷后处理(表面封孔,浸油)和机械加工等工序组成.表面预 处理的好坏直接影响涂层的结合强度,不洁净的表面会导致涂层的剥落.如果涂层 表面有水分,油脂和灰 尘,微粒与表面之间就会存在一层隔膜,不能很好地相互嵌合;如果工件表面光滑,微粒就会滑掉或虚浮 地沉积,且随着喷涂层逐渐增厚而脱落.只有干净,干燥,粗糙的表面才能使微粒在塑性尚未消失时与表 面牢固地嵌合,粗糙表面凹凸不平,从而形成良好的附着条件.目前,主要是通过喷砂处理对表面进行粗 糙化处理. T_fl:表{==ffi预处广—'1r乜弧喷涂r——'l喷后处蝉广,}机械加工 图3高速电弧喷涂加工工艺过程 工件表面预处理包括以下内容: (1)表面清洗 对待喷涂表面及其相邻区域采用丙酮,酒精等进行除油,去污,除锈等清洗工作,对轴类零件等要用 适宜的温度进行火焰烘烤除油,除去材料内部的残油,以免影响涂层与基体的结合强度. (2)表面预加工 表面预加工的主要目的是除去待修工件表面的各种损伤(如疲劳层和腐蚀层等),原喷涂层,淬火层, 10江苏技术师范学院第l6卷 渗碳层,渗氮层等,以及修正不均匀的磨损表面,使喷涂层的厚度均匀,并预留喷涂层厚度,对工件表面进 行粗糙化处理,以提高喷涂层与工件的结合强度. 预加工量由设计规定的喷涂层厚度决定,一般切至该零件最大磨损量以下0.1~0.2mm;在预加工时, 考虑到喷涂层中存在着内应力,特别是喷涂层边缘有锐边,剥离的倾向,要特别注意边角过渡.在边角处 有较大的圆角或倒角能防止喷涂层的剥离;对结合强度要求较高的轴类零件等,需要车出螺纹,以增加接 触面积,提高涂层与基体的结合强度. (3)表面粗糙化 表面粗糙化最为常用的是进行喷砂处理.喷砂处理能除去工件表面氧化膜,显露出"新鲜"金属, 即对表面进行净化,活化和粗化作用.同时,还能使表面产生一定的残余压应力,对提高喷涂后的疲劳强 度有利.喷砂处理时,选用洁净,锋利多角的砂料,用无水无油的压缩空气吹喷,工件表面也应当是洁净 的.喷砂的材料选用可根据工件的尺寸,形状及硬度来确定.常用的喷砂材料包括棕刚玉,铜矿渣,钢砂 等.砂料的粒度一般在l8—50目范围内,目数越大砂粒越细.粗砂用于坚固件和重型件.喷砂压力为 0.5,0.7MPa,薄工件因易变形,可采用较细的喷砂材料,压力应为0.3,0.4MPa.喷砂处理后,须用干净的 压缩空气吹去工件表面尘埃.喷砂粗糙化后,在较强光线下从各个角度观察被喷面均无反射亮斑时为合 格.喷砂后的基材表面活性最好,一般应在23h内喷涂『4】,否则表面会再次被污染,氧化以至生锈.对于 不喷涂的零件表面,喷砂时应予以保护,可用敷有粘胶的纸带,布带或塑料带,于喷砂前包好,喷砂后拆 除.对于螺纹孔,键槽等处可用螺帽或其它材料遮盖,直到喷涂完毕后再去除. 2.2常用材料及工艺参数 高速电弧喷涂常用材料及工艺参数应用范围如表1所示,喷涂工艺参数的选择很重要,将直接影响 涂层的组织结构,工艺性能,力学性能和耐腐蚀性能I5_.研究表明,影响电弧喷涂涂层质量的主要工艺参数 有电弧喷涂电压,喷涂电流,送丝速度和压缩空气的压力与质量等.在高速电弧喷涂工艺参数中,电压在 3036V之间变化不大,但对于不同的喷涂材料和喷涂要求,电流的变化比较大,主要 是因为电流的变 化会导致热输入的变化,从而导致涂层性能的变化. 表1高速电弧喷涂常用材料及常用工艺参数应用范围 2.3工艺分析 喷涂层与基体的结合强度对其使用性能有决定性的影响,影响结合强度的因素是多方面的,如表面 预处理质量,喷涂工艺规范,压缩空气质量以及雾化气流压力与流量等.工件表面粗糙度越高,涂层与基 体接触面积越大,二者的机械嵌合作用越大,涂层的界面结合强度越高.喷砂处理还能去除零件表面上的 氧化膜,从而有利于涂层与基体的结合.压缩空气中含油,水杂质越少,压力越高,高速射流区问越大,涂 层结合强度越高,实际生产中,压力为0.6MPat6].喷涂电压过高,输入的电功率增加,焊丝熔化加快,熔融 粒子温度升高,粒子表面氧化严重,对结合强度不利.而喷涂电流越大亦造成熔融粒子温度升高,粒子表 面氧化严重,从而降低涂层颗粒问结合力.另外,喷涂距离对结合强度影响较大,因此,喷涂距离以 160,200mm为宜,在此区间熔融金属颗粒具有最高的动能,可以获得较高的结合强度. 第9期李国庆张兰舂黄学勤:高速电弧喷涂技术在汽车发动机再制造中的应用研究11 3应用分析 3.1轴类零件的再制造 曲轴是汽车发动机的重要零件之一,受力情况非常复杂,承受着弯曲,扭转和压缩等载荷.这些载荷 一 般呈周期性变化,容易引起曲轴的扭转和弯曲变形,甚至产生裂纹和断裂.其次,由于润滑油的老化而 生成的各种有机酸,以及燃烧废气溶人润滑油而生成的无机酸,使曲轴处于腐蚀性的磨损状态之中.针对 中,重型车辆发动机曲轴的表层磨损失效形式,高速电弧喷涂技术可应用于对其进行再制造.再制造曲轴 不仅节省了材料,而且取消了新曲轴制造中的400?条件下8h的碳氮共渗等工序,节约了大量的能源. 轴类零件再制造加工过程包括以下内容. (1)表面预处理 用丙酮将表面油污彻底清洗干净,采用棕刚玉进行喷砂或镍拉毛处理.必要时轴颈表面车去疲劳层 和车出螺纹等措施来粗化表面,提高涂层与工件的结合强度,但要防止应力集中.其后应立刻进行喷涂, 以避免糙化的表面受到污染而影响涂层与基体的结合强度,曲轴喷涂前预热的要求是将整个曲轴均匀加 热到120,150~C. (2)涂层设计 根据轴颈表面预处理后的尺寸和修复后要求的基本尺寸,考虑需要预留出的加工余量,来确定喷涂 的厚度.根据曲轴材料选用3ram铝青铜作为喷涂打底材料,打底层厚度0.05,0.1mm,打底层检验合格 后,根据要求不同,用3mm3Crl3或作2mmFeCrMo基低碳马氏体粉芯丝材为工作涂层. (3)涂层材料与工艺参数 采用不同的材料对喷涂层的性能有不同的影响.采用电弧喷涂3Cr13+80号钢丝制备复合涂层的工 艺修复中型汽车发动机的曲轴,能满足在腐蚀磨损条件下的使用要求,延长了发动机曲轴的使用寿命;采 用2mmFeCrMo基低碳马氏体粉芯丝材可获得高结合强度的涂层;采用2mm3Crl3+A1RE双丝喷涂形 成伪合金涂层,能够在铝基基体中形成铁基硬质相,从而可提高曲轴的耐磨性能. 喷涂工艺参数如表1所示,要求喷涂后的工作涂层表面无裂纹,翘起,脱落等现象. (4)涂层的机械加工 完成上述工作后,对涂层进行机械加工,用车削,磨削方法加工至所要求的尺寸.磨削后的涂层表面 应致密无气孑L和砂眼,无裂纹,起皮和剥落,表面粗糙度达到使用要求. 3.2发动机缸体主轴承孔再制造 发动机缸体损坏的主要形式是气缸磨损,水套腐蚀,主轴承孔变形或划伤,其中缸体主轴承孔在工作 状态下承受交变应力及瞬问冲击,容易导致主轴承的承孔变形.在发动机缺油的情况下出现烧瓦,抱轴 时,则会导致缸体主轴承孑L严重划伤.对主轴承孔已发生变形或划伤的缸体,以前大多数报废处理,也有 采用传统的堆焊工艺和采用外径加厚主轴瓦补偿的 修理尺寸法进行修复,但效果并不理想,堆焊容易造 成缸体变形和出现裂纹;加厚主轴瓦的办法破坏了 互换性,给用户今后维修带来诸多不便.如图4所 示,高速电弧喷涂技术以其致密的涂层组织,较高的 结合强度,方便快捷的操作和较高的性能价格比应 用缸体主轴承孑L修复具有明显的优势,其再制造加 工工艺要求如下. (1)喷涂材料 喷涂层材料采用低碳马氏体丝材打底,再用 1Crl8Ni9Ti丝材喷涂工作层.图4再制造后的缸体轴承座 12江苏技术师范学院第16卷 (2)qt涂工艺 喷涂工艺流程为:镗底孔及螺旋槽一清洗除油一喷砂粗化处理一喷底层一喷工作涂层一加工喷涂层 至尺寸. 预加工时,镗底孑L至标准孔D+0.5mm,并镗螺距为1.8mmx0.2mm的螺旋槽,以增加底层结合面 积,这样有利于结合强度的提高. 喷砂处理用16号棕刚玉,喷砂用气经油水分离器和冷凝干燥机处理,喷砂目的是使待喷涂表面粗 糙,但喷砂不要过度,并注意整个待喷涂面的喷砂处理必须均匀,无死角.喷涂工艺参数如表2所示. 表2缸体轴承孔喷涂工艺参数 4结论 高速电弧喷涂技术已经历了多年的发展并逐渐被市场所认可,作为先进的表面工程技术,能够实现 对汽车零部件的再制造,特别适用于发动机缸体,缸盖,曲轴等零件.然而,该项技术虽然在再制造工程领 域已得到初步的应用,但为了进一步提升再制造产品的性能和寿命,拓展应用范围,其研究还有待进一步 深入. 参考文献: [1]付东兴,徐滨士,李庆芬,等.高速电弧喷涂技术在防腐工程领域的研究现状[J].材料导报,2007,21(3):94—95. 【2】张建军,刘秀忠,徐维普,等.高速电弧喷涂技术在钢结构防腐蚀的应用[J].现代焊接,2008,(10):45—47. 【3]徐维普,徐滨士,张伟,等.高速电弧喷涂技术在工程中的应用与展望[J].焊接技术,2004,33(1):18一l9. [4]朱胜,姚巨坤.热喷涂再制造工艺与技术【J].新技术新工艺,2009(7):2-3. [5]刘谦.高速电弧喷涂工艺及应用【J].设备管理与维修,2002(10):34—35. [6]邢忠,姜爱良,谢建军,等.汽车发动机再制造效益分析及表面工程技术的应用[J].中国表面工程,2004(4):3-5 TheApplicationandResearchofHighVelocityArcSpraying TechnologyonAutomotiveEngineRemanufacturing L1Guo—qing,ZHANGLan—chun,HUANGXue—qin (MechanicalandAutomotiveEngtneeringInstitute,JiangsuTeachersUniversityofTechnology, Changzhou213001,China) Abstract:Inthispaper,theapplicationofhighvelocityarcsprayingtechnologyonautomotiveengine sparepartsremanufacturingisexpatiatedindetailwithautomotiveengineasresearchobjectbasedon theintroductionofhighvelocityarCsprayingtechnology'Sworkingprinciple,characteristicand techniques.Theresearchresultshowsthathighvelocityarcsprayingtechnologyhasdistinctadvantage onautomotiveengineremanufacturing. Keywords:highvelocityarcspraying;engine;remanufacturing 责任编辑盛艳